課題2　人工固氮技術(shù)──合成氨

目標導航1 使學生理解如何應(yīng)用化學反應(yīng)速率和化學平衡原理 選擇合成氨的適宜條件 2 了解合成氨生產(chǎn)的一般流程和反應(yīng)原理 反應(yīng)條件等 3 介紹合成氨 體驗化工生產(chǎn)的過程 體驗實驗室研究與實際生產(chǎn)之間轉(zhuǎn)化過程 課題2人工固氮技術(shù) 合成氨 一 氮的循環(huán)及合成氨的反應(yīng)原理1 含氮化合物對人類生活有著十分重要的意義 1 是植物生長不可缺少的元素之一 2 含氮化合物還用于制造 和許多其他產(chǎn)品 氮元素 染料 人造纖維 油漆 炸藥 2 氮的固定 1 氮的存在和固定 存在 地殼中氮的含量只有0 04 而大氣中氮氣的體積分數(shù)為 氮的固定 是指將轉(zhuǎn)變?yōu)榈姆椒?78 游離態(tài)氮 化合態(tài)氮 自然 人工 2 實驗室合成氨實驗裝置 鐵絲絨的作用 潤濕的pH試紙的作用 現(xiàn)象 3 工業(yè)上 通常采用以鐵為主的催化劑 在 和MPa的條件下合成氨 催化劑 檢驗生成的氨氣 pH試紙 變藍 400 500 10 30 議一議1 你知道氮固定的主要途徑有哪些 通過閃電引發(fā)自然固氮的原理是什么 答案豆科植物的根瘤菌固氮 雷電固氮 人工固氮 工業(yè)合成氨 2 試從速率和平衡的角度綜合分析合成氨工業(yè)選擇400 500 的溫度 10 30MPa的壓強的原因 答案合成氨反應(yīng)是一個可逆 放熱 氣體分子總數(shù)減小的反應(yīng) 根據(jù)勒夏特列原理 溫度越低 壓強越大 該反應(yīng)的平衡體系中氨的含量越高 但降低溫度使反應(yīng)速率降低 增大壓強對設(shè)備要求較高 而400 500 時催化劑活性最好 10 30MPa下N2 H2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)較高 故選擇在該條件下進行合成氨 二 合成氨的基本生產(chǎn)過程及工業(yè)發(fā)展合成氨的生產(chǎn)主要包括三個步驟 1 制備合成氨的原料氣 造氣 凈化 合成 2 原料氣的凈化 1 目的是 2 原料氣的凈化 用稀氨水吸收H2S的化學方程式 防止催化劑中毒 H2S NH3 H2O NH4HS H2O 除去CO的有關(guān)化學方程式 精制原料氣 用 和配制成的溶液來吸收 等少量有害氣體 醋酸 銅 氨 CO CO2 O2 H2S CO2 K2CO3 H2O 2KHCO3 3 氨的合成與分離 1 氨的合成 將凈化后的原料氣經(jīng)過壓縮至高壓 進入 在 和作用下合成氨 2 從合成塔出來的混合氣體 通常約含15 體積分數(shù) 的氨 要把混合氣體通過使氨液化 然后在里把液態(tài)氨分離出來并導入液氨貯罐 余下的氣體再經(jīng)過循環(huán)壓縮機送到合成塔中進行反應(yīng) 壓縮機 合成塔 高溫 高壓 催化劑 冷凝器 氣體分離器 4 合成氨工業(yè)的發(fā)展合成氨工業(yè)的主要研究領(lǐng)域有以下三個方面 1 的凈化 2 的改進 3 環(huán)境保護廢渣 用作 廢氣 主要是和等有害氣體 廢液 主要是含和含的污水 原料及原料氣 催化劑 建材和肥料的原料 H2S CO2 氰化物 氨 議一議1 據(jù)上一課題中的 硫酸工業(yè)流程 畫出合成氨生產(chǎn)的工藝流程 答案 2 在凈化階段用K2CO3溶液吸收CO2 在加壓的條件下進行的理論依據(jù)是什么 答案加壓不僅能增大反應(yīng)速率還能使平衡向右移動 提高CO2的吸收率 3 在化工生產(chǎn)中 常采用循環(huán)操作 這種操作的目的是什么 合成氨工業(yè)可以進行哪些聯(lián)合生產(chǎn)或深加工 答案合成氨是可逆反應(yīng) 無論條件多么適宜 從合成塔中出來的氣體總有一部分未反應(yīng)的N2和H2 NH3可通過冷凝分離除去 為充分利用原料氣 將此混合氣用循環(huán)壓縮機重新送入合成塔 同時不斷地補充新鮮的原料氣 這樣可以提高原料的利用率 降低生產(chǎn)成本 合成氨可與尿素 硝酸 碳酸氫銨 純堿等工業(yè)聯(lián)合生產(chǎn)使原料充分利用 減少物流 交通所耗費的人力 物力 降低生產(chǎn)成本 一 合成氨條件的理論分析1 濃度 因為增大反應(yīng)物濃度 能提高反應(yīng)速率和使平衡正向移動 故生產(chǎn)中常使廉價易得的原料適當過量 以提高另一原料的利用率 因此生產(chǎn)中常適當增加N2的比例 實際生產(chǎn) n H2 n N2 2 8 1 2 壓強 無論從反應(yīng)速率還是從化學平衡考慮 壓強越大越有利于合成氨 但壓強太大 動力消耗大 設(shè)備的質(zhì)量和制造水平要求高 故必須綜合考慮 目前我國合成氨廠一般采用的壓強在10 30MPa之間 3 溫度 對于放熱反應(yīng) 升溫可提高反應(yīng)速率 但轉(zhuǎn)化率降低 若溫度太低 反應(yīng)速率又太慢 綜合考慮以400 500 為宜 而且在此溫度下催化劑活性最大 4 催化劑 加快反應(yīng)速率但不影響平衡 可以提高單位時間內(nèi)氨的產(chǎn)量 目前工業(yè)上多采用以鐵為主的催化劑 5 及時將NH3從平衡體系中分離出來 并將N2 H2重新壓縮后輸入合成塔再次利用 提高原料的利用率 例1合成氨時既要使氨的產(chǎn)率增大 又要使反應(yīng)速率加快 可采取的辦法是 減壓 加壓 升溫 降溫 及時從平衡混合氣中分離出NH3 補充N2或H2 加催化劑 減小N2或H2的量A B C D 答案C 解析工業(yè)上合成SO3與合成氨的最大不同之處是該反應(yīng)是在常壓下進行的 原因是在常壓下該反應(yīng)向生成SO3的方向進行程度已經(jīng)很大 采用高壓雖能使平衡向生成SO3方向移動 但產(chǎn)生高壓既需要動力又對反應(yīng)容器耐壓性有較高要求 綜合生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益兩方面因素 實際生產(chǎn)時 在常壓下進行最合理 答案高溫 高壓 催化劑合成氨 高溫 高壓 催化劑 合成SO3 高溫 常壓 催化劑 2 在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)中 要分離出氨 目的是 而合成SO3的過程中 不需要分離出SO3 原因是 減小生成物 的濃度 使平衡向生成NH3的方向移動 該反應(yīng)向生成SO3的方向進行程度較大 達到平衡后SO2剩余量較少 故不需要分離出SO3 二 工業(yè)合成氨的流程分析工業(yè)生產(chǎn)流程主線 規(guī)律 主線主產(chǎn)品 分支副產(chǎn)品 回頭為循環(huán) 核心考點 物質(zhì)的分離操作 除雜試劑的選擇 生產(chǎn)條件的控制 例2利用天然氣合成氨的工藝流程如下圖所示 根據(jù)上述流程 完成下列填空 1 天然氣脫硫時的化學方程式是 解析流程圖中已給出反應(yīng)物是H2S和Fe OH 3 生成物是Fe2S3和H2O CH4沒有參與反應(yīng) 寫出方程式再配平即可 3H2S 2Fe OH 3 Fe2S3 6H2O 2 nmolCH4經(jīng)一次轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生CO0 9nmol 產(chǎn)生H2mol 用含n的代數(shù)式表示 解析寫出方程式后很容易看出H2的物質(zhì)的量 2 7n 3 K2CO3 aq 和CO2反應(yīng)在加壓下進行 加壓的理論依據(jù)是 填字母序號 A 相似相溶原理B 勒夏特列原理C 酸堿中和原理解析是勒夏特列原理的應(yīng)用 B 4 由KHCO3分解得到的CO2可用于 寫出CO2的一種重要用途 解析考查CO2的用途 生產(chǎn)純堿 或作制冷劑等 5 在整個流程中有三處循環(huán) 一是Fe OH 3循環(huán) 二是K2CO3 aq 循環(huán) 請在上述流程圖中標出第三處循環(huán) 解析是對合成氨工業(yè)中實際應(yīng)用的循環(huán)操作進行設(shè)問和考查 答案 變式訓練2合成氨工業(yè)對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要的意義 下圖是工業(yè)合成氨的簡要流程示意圖 1 合成氨的原料氣往往混有CO2等雜質(zhì) 在進入合成塔之前需凈化 凈化的原因是 解析氣體中的雜質(zhì)能使催化劑中毒 使活性降低 降低催化效率 因此氣體要凈化 答案防止催化劑 中毒 2 工業(yè)上合成氨選擇的適宜條件是 以鐵為主的催化劑 解析由工業(yè)合成氨可知 合成氨的條件是以鐵為主的催化劑 400 500 10 30MPa 在此條件下 合成氨的產(chǎn)率 反應(yīng)速率以及經(jīng)濟效益為最佳 400 500 10 30MPa 3 沿X路線進入合成塔的物質(zhì)是 這樣設(shè)計的意義是 解析合成氨為可逆反應(yīng) 分離出氨氣后 氮氣和氫氣需要回收利用 再次將其通入合成塔中 可以降低成本以及提高原料利用率 N2和H2 未反應(yīng)的氮氣和氫氣循環(huán)進入合成塔 使氮氣和氫氣得到充分利用 或提高原料的利用率 4 目前工業(yè)制硝酸所采用的主要方法是 解析因為合成氨是制硝酸的基礎(chǔ) 所以氨催化氧化法是目前工業(yè)制硝酸所采用的主要方法 原因為原料來源廣并且價格便宜 氨催化氧化法 或氨氧化法 1 下列有關(guān)催化劑的性質(zhì) 作用的說法正確的是 A 合成氨反應(yīng)若不使用催化劑 該反應(yīng)就不能進行B 反應(yīng)前后催化劑的質(zhì)量不改變 但化學性質(zhì)要改變C 催化劑能縮短反應(yīng)到達平衡所用的時間 但催化劑損耗量較大D 催化劑可以同等程度地改變正 逆反應(yīng)速率 1 2 3 4 D 1 2 3 4 2 對于可逆反應(yīng)N2 g 3H2 g 2NH3 g H 0 下列說法正確的是 A 達到平衡時反應(yīng)物和生成物濃度一定相等B 達到平衡后加入氨氣 重新達到平衡時 氨氣的濃度比原平衡時大C 達到平衡時 升高溫度加快了吸熱反應(yīng)的速率 降低了放熱反應(yīng)的速率 所以平衡向逆反應(yīng)的方向移動D 加入催化劑可以縮短到達平衡的時間 這是因為加快了正反應(yīng)的速率 而減慢了逆反應(yīng)的速率 1 2 3 4 解析本題往往錯選C D 原因是對升高溫度可以使平衡向吸熱反應(yīng)方向移動的原因認識不清 對使用催化劑可縮短到達平衡所用時間的原因認識不清 正確選項為B 答案B 3 合成氨反應(yīng)達到平衡時NH3的體積分數(shù)與溫度 壓強的關(guān)系如右圖所示 根據(jù)此圖分析合成氨工業(yè)最有前途的研究方向是 A 提高分離技術(shù)B 研制耐高壓的合成塔C 研制低溫催化劑D 探索不用N2和H2合成氨的新途徑 1 2 3 4 解析由圖可知 NH3的體積分數(shù)隨著溫度的升高而顯著下降 故要提高NH3的體積分數(shù) 必須降低溫度 但目前所用催化劑鐵觸媒活性最好時的溫度為500 故最有前途的研究方向為研制低溫催化劑 答案C 1 2 3 4 4 工業(yè)合成氨是在一定條件下進行的可逆反應(yīng) 1 2 3 4 其部分工藝流程如下圖所示 請回答下列問題 1 第 步除需要催化劑這個條件外 還需要的條件是 解析工業(yè)合成氨需要條件為高溫 高壓 催化劑 1 2 3 4 高溫 高壓 2 第 步操作中的原料氣的 凈化 的目的是 第 步操作中的目的是 解析原料氣中往往含有使催化劑中毒的物質(zhì) 所以在進行原料氣的反應(yīng)前 需要除掉其中的雜質(zhì) 工業(yè)合成氨反應(yīng)后的混合氣體中既有氨氣 也有未反應(yīng)的氫氣 氮氣 為了提高原料氣的利用率 將未反應(yīng)的原料氣進行重新利用 這樣可以提高經(jīng)濟效益 1 2 3 4 防止催化劑中毒 提高原料利用率 或提高經(jīng)濟效益等 3 工業(yè)合成氨反應(yīng)后可以通過降低混合氣體的溫度而使氨氣分離出來 這種分離物質(zhì)的方法的原理類似于下列中的 填字母 a 過濾b 蒸餾c 分液d 萃取你作出